JP6090694B2 - 光発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂製フレネルレンズを用いた光発電装置に関する。特に一体型多眼フレネルレンズシートを備えるものに関する。

近年、再生可能なエネルギー源として自然エネルギーの利用が注目されている。そのひとつに太陽光を利用する太陽電池（ソーラセル）による発電がある。そして、ソーラセルの発電量を増加させるため、反射鏡やレンズを組み合わせてソーラセルに集光する装置も提案されている（特許文献１参照）。例えば特許文献２などに多数の集光用フレネルレンズを同一平面上に配列し、各フレネルレンズを単位レンズとして、各単位レンズの集光位置にソーラセルを配列した例が公開されている。このような集光装置に用いられるフレネルレンズは、一般に旋盤によって金属板を切削した金属成形型を用い、キャスト法、射出成形法、プレス成形法、紫外線硬化性樹脂を用いたフォトポリマ法（２Ｐ法）などの転写成形方法により成形される。

フレネルレンズの集光位置にソーラセルを配列する場合、個々のレンズをそれに対応する枠などに設置することもできる。しかし製造の簡便さを考慮すると、図１のような多数の集光用フレネルレンズ（単位レンズ）を同一平面上に配列したもの（以下多眼フレネルレンズシート）を製造し、多眼フレネルレンズシートに対応する枠に固定することが提案されている。

フレネルレンズは透光性である必要があり、その基材には透明樹脂や無機ガラスが用いられるが、軽量化と製造の容易さから透明樹脂が好ましく用いられる。
図２は光発電装置の一例をフレネルレンズシートの断面方向から見た概略図であり、複数のソーラセル３が配置された基板２（以下、ソーラセル基板と称することがある）と、ソーラセル３の入光側に多眼フレネルレンズシート１を備えている。フレネルレンズの集光位置に各ソーラセル３が配置されるよう、枠４で支持されている。ここで、フレネルレンズシート１と枠４とを強固に固定すると、温度や湿度変化による伸縮差で枠やシートが破損する恐れがある。そこでシートは面方向に自在に動けるよう保持されることが望ましい。またソーラセルは放熱などのために金属性基板上に設けられることが多い。

一方、シートと枠との隙間から雨水、ホコリなどが内部に侵入すると不具合を生じる恐れがあるため、前記隙間を充分小さくする必要がある。これらを両立する構造として、例えば図８のように、シート端部に封止部材８などを施し、シート１と枠となる金属フレーム７とをネジ６で固定する構造が採用されている。このような構造にすると、シートを厚み方向に固定して隙間を充分小さくし、かつシートは面方向に自在に動くことができる。

フレネルレンズの集光位置は、対応するソーラセルに正確に配置されることが発電効率の点で重要である。ところが、上記多眼フレネルレンズシートと枠やソーラセルが配置された基板とでは一般的に材質が異なるため、温度や湿度変化による伸縮挙動が異なる。その場合、各単位レンズの集光位置がソーラセルからずれてしまい、発電効率の低下を招く。この傾向はフレネルレンズシートが樹脂製である場合に特に顕著である。

温度や湿度が変化した場合、図８のようなシート固定構造であると、シートは枠に最も強固に固定された一点を中心に放射状に伸縮するため、前記中心点から最も離れた部分では各単位レンズによる集光位置が対応するソーラセルから大きくずれてしまう、という問題があった。
さらに、上記の固定方法では、シートのどの部位が前記中心点として膨張するかは予想が困難であるため、前記の「ずれ」を見越して設計することは困難である。なお多眼フレネルレンズシートが長方形である場合、前記中心点が四隅近傍となった時に、対向する四隅近傍にある単位レンズの集光位置がソーラセルから最も大きくずれる。

米国特許第５１２５９８３号明細書 日本国特開平１１−０２６８００号公報

そこで、本発明は、フレネルレンズシートとソーラセルが配置された基板とで温度や湿度変化による伸縮挙動が異なっている場合でも、集光位置がソーラセルからずれることを最小限に抑制し、発電効率の低下を防ぐことを目的とする。

前記目的は、複数のフレネルレンズが一体に成形された多眼フレネルレンズシートと、個々のフレネルレンズの集光位置近傍にソーラセルが配置された基板とを備えた光発電装置であって、前記多眼フレネルレンズシートは、その重心位置の近傍のレンズシート固定部において前記基板に対して固定されていることを特徴とする光発電装置によって達成される。

また、前記レンズシート固定部は、重心位置の近傍で、かつ、個々のフレネルレンズの境界部であるのが好ましい。

また、前記レンズシート固定部の他に第２の固定部を有し、多眼フレネルレンズシートが前記レンズシート固定部と前記第２の固定部とを結ぶ方向にのみ変位可能に固定されていても良い。
さらに、この場合、前記第２の固定部が前記多眼フレネルレンズシート全体の端部近傍にあっても良い。

本発明によれば、多眼フレネルレンズシートが温度や湿度変化によって伸縮しても、個々のフレネルレンズの集光位置がソーラセルからずれることを最小限に抑制することができる。

多眼フレネルレンズシートの例を示した図である。 光発電装置の断面図である。 温湿度変化によりレンズが基板に対し相対的に収縮した際の位置関係を示した図である。 固定部を設けた多眼フレネルレンズシートの例を示した図である。 柱状の固定部材で固定された多眼フレネルレンズシートが基板に対して収縮した際の位置関係を示した図である。 固定部材が梁構造の場合の取り付け方法の例を示す図である。 重心位置近傍に固定部を設けた多眼フレネルレンズシートの例を示した図である。 第２の固定部を設けた多眼フレネルレンズシートの例を示した図である。 多眼フレネルレンズシートと枠の固定方法を示す図である。 縦３段、横６列の多眼フレネルレンズシートの例を示した図である。 実施例１における、温湿度環境変化時の枠に対する多眼フレネルレンズシートの位置ずれ量の計算値を示す図である。 実施例５における、温湿度環境変化時の枠に対する多眼フレネルレンズシートの位置ずれ量の実測値を示す図である。 多眼フレネルレンズシートをシート長辺の中心で固定した場合（比較例１）の位置ずれ量を示す図である。 多眼フレネルレンズシートをシート右下端部で固定した場合（比較例２）の位置ずれ量を示す図である。 縦３段、横２列の多眼フレネルレンズシートをシートの中心で固定した場合（実施例３）の位置ずれ量を示す図である。 縦３段、横６列の多眼フレネルレンズシートをシートの中心で固定した場合（実施例２）の位置ずれ量を示す図である。 多眼フレネルレンズシートの他の態様における外形説明図である。

図２で示した光発電装置の多眼フレネルレンズシート１が、温度や湿度変化によってソーラセル３が配置された基板２に対し相対的に縮んだ状態を図３に示す。図中右端のフレネルレンズ１１の中心、即ち集光位置は対応するソーラセル３に対し大きくずれ、発電効率が低下する。

一方、本発明の一例では、多眼フレネルレンズシート１は図４に示すようにシート面の重心位置の近傍にレンズシート固定部５１が設けられ、図５Ａ及び図５Ｂに示すようにレンズシート固定部材５を介してソーラセル基板２に対して固定されている。ここで本発明において重心位置の近傍とは、多眼フレネルレンズシート１の重心位置から、互いに隣接する単位レンズの中心間距離の範囲内のことをいう。
本実施形態の光発電装置の多眼フレネルレンズシート１が、温度や湿度変化によってソーラセル３が配置された基板２に対し相対的に縮んだ状態を図５Ａに示す。図中右端および左端の各フレネルレンズ１１の中心、即ち集光位置は対応するソーラセル３に対してずれが比較的小さく、発電効率の低下を抑制できる。

本発明では、多眼フレネルレンズシート面に設けるレンズシート固定部５１は、シートの重心位置の近傍であるが、通常多眼フレネルレンズシート１は長方形であるから、図４のように、多眼フレネルレンズシートの長辺の中央同士を結んだ中心線の中央が重心位置となる。
多眼フレネルレンズシートの成形では、各レンズのつなぎ目、あるいは各レンズの金型のつなぎ目箇所にレンズが形成されない無効部分が小面積生じることがある。このような無効部分にレンズシート固定部を設けることが好ましい。

ところで、例えば奇数段、かつ、奇数列の多眼フレネルレンズシート、例えば図６に示すような３列３段の多眼フレネルレンズシートにおいては、中心近傍が中央の単位シートの中心近傍となってしまう。このような場合、多眼フレネルレンズシートの中心から若干離れた、個々のフレネルレンズの境界部１２にレンズシート固定部を設けることが好ましい。なお、図６では、２個の単位レンズの、各辺の境界部１２にレンズシート固定部５１１を設けた例１と、４個の単位レンズの、各四隅の境界部１２にレンズシート固定部５１２を設けた例２とが同時に示されている。

レンズシート固定部材５は、図５Ａに示すようにフレネルレンズ１１を底辺としソーラセル３を頂点とする略角錐の集光領域以外にレンズシート固定部材５を設けると、光の透過を妨げない点で好ましい。
また、レンズシート固定部材５は、図５Ｂに示すようにレンズシート固定部５１で固定されることを要件として、多眼フレネルレンズシート１の下方に配置される梁構造とすると、シートの自重によるたわみを防ぐことができる点で好ましい。

８段８列以上の多段多列の配列であるソーラセル３を用いた大型の光発電装置の場合、多眼フレネルレンズシートを複数に分割し、それぞれのフレネルレンズシートについて本発明を適用しても良い。例えば、１２段１２列配列のソーラセル３を用いた大型の光発電装置の場合、６段１２列の２枚の多眼フレネルレンズシート１について各重心位置の近傍を固定する、あるいは６段６列の４枚の多眼フレネルレンズシートについて各重心位置の近傍を固定してもよい。
また、多眼フレネルレンズシートと枠部材とを接着固定すると、熱膨張や吸水による膨張により反りが生じる場合がある。そこでそれぞれにまたは少なくとも一方と接着せずに固定できる封止部材を使用することで、上記問題を抑制できる。封止部材としては例えば、摩擦抵抗が少なく柔軟性のある部材が好ましい。
また、各ソーラセル３は集光位置のずれを補償するための二次集光器を備えていても良い。

＜発明の変形例＞
シートの重心位置の近傍に設けるレンズシート固定部５１とは別に、シートの伸縮を阻害しない第２の固定部５２を設けても良い。第２の固定部５２は、例えば図７に示すようにレンズシート固定部５１を中心とした伸縮方向（レンズシート固定部５１を中心とした放射方向）の線上に、シートの伸縮を阻害せず、レンズシート固定部５１を回転軸とした回転を防ぐ構造が好ましい。
更に前記第２の固定部が前記多眼フレネルシート全体の端部近傍にあることが好ましい。これにより、レンズシート固定部５１を回転軸とした回転をより効果的に防ぐことが出来るからである。
更に、前記第２の固定部が前記多眼フレネルシート全体の端部の切り欠であることが更に好ましい。これにより、多眼フレネルシートを固定する枠部材で切り欠部を覆い切り欠部からの埃や水分の浸入を防ぐ構造とすることが出来るからである。

多眼フレネルレンズシートの外形は、例えば図１４に示すように長方形に限らない。しかし例えば図１４において細線で示す多眼フレネルレンズシートの全体を囲む長方形を本発明では外形とみなすことができる。

＜計算方法等＞
アクリル樹脂製多眼フレネルレンズシートをアルミニウム製枠に実施例、比較例それぞれの構造で固定した場合、温度、湿度の変化によってフレネルレンズシートが枠に対して位置がずれる量を計算で示した。計算する箇所は単位レンズの中心位置であり、固定点からの距離変化量を示す。
ここでアクリル樹脂の線膨張係数を６．６×１０^−５（１／℃）、アルミニウムの線膨張係数を２．３５×１０^−５（１／℃）、アクリル樹脂の吸湿膨張率を０．３％（湿度０％→８５％）、アルミニウムの吸湿膨張率を０％（湿度０％→８５％）として計算した。
なお、固定点に対し対称位置にある単位レンズについては記載を省略する。また説明のため図９に示す通り、左上隅の単位レンズを単位レンズ１と呼び、上段右方向に順次単位レンズ２、３、右下隅の単位レンズを単位レンズ１８と呼ぶ。

＜実施例１＞
以下に列記した条件および図９に示すような縦３段、横６列の多眼フレネルレンズシートをシートの中心で固定した場合であって、２５℃×０％ＲＨの環境から６５℃×８５％ＲＨの環境に変化した時の計算結果を図１０Ａに示す。
・シート外形：７１５ｍｍ×１３５０ｍｍの長方形
・単位フレネルレンズ寸法：２２５ｍｍ×２２５ｍｍの正方形
・単位フレネルレンズ間の隙間：縦２０ｍｍ、横０ｍｍ

＜実施例２＞
２５℃×０％ＲＨの環境から２５℃×８５％ＲＨの環境に変化した以外は、実施例１と同様の計算結果を図１３Ｂに示す。

＜実施例３＞
以下に列記した条件および図１３Ａに示すような縦３段、横２列の多眼フレネルレンズシートを用い、それぞれをシートの中心で固定し、３枚隙間無く並べた場合であって、２５℃×０％ＲＨの環境から２５℃×８５％ＲＨの環境に変化した時の計算結果を図１３Ａに合せて示す。
・シート外形：７１５ｍｍ×４５０ｍｍの長方形
・単位フレネルレンズ寸法：２２５ｍｍ×２２５ｍｍの正方形
・単位フレネルレンズ間の隙間：縦２０ｍｍ、横０ｍｍ

＜実施例４＞
金属金型を用いた射出成形によって以下のような縦３列、横６段の多眼フレネルレンズシートを作製した。
・樹脂：株式会社クラレ製アクリル樹脂「パラペット（登録商標）」
・シート外形：７１５ｍｍ×１３５０ｍｍの長方形
・単位フレネルレンズ寸法：２２５ｍｍ×２２５ｍｍの正方形
・単位フレネルレンズ間の隙間：縦２０ｍｍ、横０ｍｍ
・フレームおよびソーラセル基板の材質：アルミニウム

＜実施例５＞
実施例１と同様にシートをその中心部で固定して、２５℃×０％ＲＨの環境下で１０日間放置した直後、及び６５℃×８５％ＲＨの環境下で１０日間放置した直後について単位フレネルレンズと対応する各ソーラセルとのシート面方向の位置をそれぞれ測定し、その変化を図１０Ｂにまとめた。
この実施例５の結果は実施例１の結果とよく一致していることが分かる。

＜比較例１＞
図１１に示すように多眼フレネルレンズシートをシート長辺の中心で固定した以外は実施例１と同様の場合について計算した結果を図１１に合せて示す。

＜比較例２＞
図１２に示すように多眼フレネルレンズシートをシート右下端部で固定した以外は計算例１と同様の場合について計算した結果を図１２に合せて示す。なお、単位レンズ４，５などについての数値は省略する。

以上の実施例と比較例から判る通り、本発明によればフレネルレンズシートとソーラセルが配置された基板とで温度や湿度変化による伸縮挙動が異なっている場合でも、集光位置がソーラセルからずれることを最小限に抑制し、発電効率の低下を防ぐことができる。

以上、図面を参照して、本発明の最良の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

［関連出願への相互参照］
本出願は、２０１０年１０月２７日に日本国特許庁に出願された特願２０１０−２４１２２６号に基づいて優先権を主張し、その全ての開示は完全に本明細書で参照により組み込まれる。

Claims (3)

1. 一体に成形された多眼フレネルレンズシートと、個々のフレネルレンズの集光位置近傍にソーラセルが配置された基板とを備えた光発電装置であって、前記多眼フレネルレンズシートはその重心位置の近傍に位置するレンズシート固定部で前記基板に対して固定されているとともに、
   前記多眼フレネルシートが、前記レンズシート固定部の他に第２の固定部を有しており、前記第２の固定部において、多眼フレネルレンズシートは前記レンズシート固定部と前記第２の固定部とを結ぶ方向にのみ変位可能であることを特徴とする光発電装置。
2. 請求項１に記載の光発電装置において、
   前記多眼フレネルレンズシートが、その重心位置の近傍、かつ、個々のフレネルレンズの境界部に位置するレンズシート固定部で前記基板に対して固定されていることを特徴とする。
3. 請求項１又は２に記載の光発電装置において、
   前記第２の固定部が前記多眼フレネルレンズシート全体の端部にあることを特徴とする。

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